一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置及使用方法，包括：支撑杆，其竖向设置；连接座，经进动轴承安装于支撑杆上端，可绕支撑杆水平转动；横杆，其中部经俯仰轴承安装于连接座上，横杆可在竖直方向上下摆动；自转轮，可转动地安装于横杆的一端；砝码，滑动且可拆卸的安装于横杆上，位于横杆另一端及与俯仰轴承连接处之间；第一驱动机构与自转轮连接，驱动自转轮转动；第二驱动机构与砝码连接，驱动砝码沿横杆的长度方向往复移动。该方法为该装置进行陀螺运动研究时的使用方法，该装置可调节自转轮的转速、砝码的质量及力臂长度，实现自转角速度和重力矩的连续调节，能很好地用于定量研究刚体转动陀螺仪的运动规律。用于定量研究刚体转动陀螺仪的运动规律。用于定量研究刚体转动陀螺仪的运动规律。

【技术实现步骤摘要】
一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置及使用方法


[0001]本专利技术属于教学实验装置
，具体涉及一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置及使用方法。

技术介绍

[0002]陀螺仪广泛应用在导航、传感和监测等
，具体地，如应用在手机、汽车、航天航空器等上，其与现代科技、生活息息相关，因此在教学中对其引入是十分必要的。随着电子、信息时代来临，陀螺仪已经发展为微尺寸的MEMS(微机电)陀螺仪，根据其原理还发展出多种多样的陀螺仪，比如：刚体转动陀螺仪、音叉振动陀螺仪、半球谐振陀螺仪、光纤陀螺仪等。其中，刚体转动陀螺仪作为最初的机械陀螺仪，是刚体转动最为典型的模型。
[0003]目前教学过程中使用的刚体转动陀螺教学设备，通常仅为演示型设备，只能对陀螺的定轴、进动和章动现象做定性演示，无法对刚体转动陀螺模型中的各物理量变化做定量研究和相互关联性的研究，即现有的刚体转动陀螺教学设备不能全面的展示刚体转动陀螺的特性，因此，有必要开发一种能全面定量研究刚体转动陀螺特性的实验装置。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置及使用方法，该装置可调节自转轮的转速、砝码的质量及力臂长度，进而实现自转角速度和重力矩的连续调节，能很好地用于定量研究刚体转动陀螺仪的运动规律。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，包括：
[0007]支撑杆，其竖向设置；
[0008]连接座，经进动轴承安装于所述支撑杆的上端，所述连接座可绕所述支撑杆水平转动；
[0009]横杆(4)，其中部经俯仰轴承安装于所述连接座上，所述横杆可在竖直方向上下摆动；
[0010]自转轮，可转动地安装于所述横杆的一端；
[0011]砝码，滑动且可拆卸地安装在所述横杆上，所述砝码的滑动范围被限定在所述横杆的另一端与所述俯仰轴承之间的区域；
[0012]第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构与所述自转轮连接，用以驱动所述自转轮转动；所述第二驱动机构安装于所述横杆上，且与所述砝码相连接，用以驱动所述砝码沿所述横杆的长度方向往复移动。
[0013]在本申请的一种实施例中，还包括电池，所述电池与所述第一驱动机构、第二驱动机构电性连接。
[0014]在本申请的一种实施例中，还包括：
[0015]第一传感器，安装于所述横杆上，用于测量所述自转轮的转速或角速度；
[0016]第二传感器，安装于所述连接座或横杆上，用于测量所述连接座的转速或角速度；
[0017]第三传感器，安装于所述横杆上，用于测量所述横杆的俯仰角度、俯仰频率或俯仰角速度。
[0018]在本申请的一种实施例中，还包括控制终端和与所述控制终端无线通讯连接的无线通讯控制模块，所述无线通讯控制模块安装于所述横杆内，与所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第一驱动机构和第二驱动机构电性连接。
[0019]在本申请的一种实施例中，所述第二驱动机构为丝杠电机，所述丝杠电机与设置在所述横杆上的丝杆传动连接，所述丝杆与滑块转动连接，其中，所述砝码安装于所述滑块上。
[0020]在本申请的一种实施例中，所述砝码包括若干不同质量的多块，任一所述砝码均能可拆卸的安装于所述滑块上。
[0021]在本申请的一种实施例中，所述连接座呈类U型结构，其底部经所述进动轴承与所述支撑杆的上端同轴转动连接；
[0022]还包括俯仰轴，所述俯仰轴水平设置，两端分别经所述俯仰轴承转动安装于所述连接座上部；所述横杆穿设与所述连接座的类U型槽口内，经连接杆与所述俯仰轴相连接。
[0023]定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置的使用方法：
[0024](一)当研究自转角速度与进动角速度的关系时，所述方法包括如下步骤：
[0025]S1
‑
1、调节所述第二驱动机构，使所述砝码偏离平衡位置；
[0026]S1
‑
2、调节所述第一驱动机构，使所述自转轮的转速改变；
[0027]S1
‑
3、测量所述连接座的进动角速度和所述自转轮的自转角速度获得进动角速度随自转角速度的变化关系；
[0028]或者，
[0029](二)当研究重力矩与进动角速度的关系时，所述方法包括如下步骤：
[0030]S2
‑
1、调节所述第一驱动机构，驱动所述自转轮高速自转；
[0031]S2
‑
2、调节重力矩：调节所述第二驱动机构驱动所述砝码改变位置，或者更换不同质量的所述砝码；
[0032]S2
‑
3、获取重力矩的变化数据，并测量所述连接座(3)的进动角速度获得进动角速度所随重力矩的变化关系；
[0033]或者，
[0034](三)当研究自转轮的转动惯量I0时，所述方法包括如下步骤：
[0035]S3
‑
1、将所述步骤S1
‑
3和S2
‑
3测得的数据进行线性拟合，根据线性拟合的斜率获得所述自转轮的转动惯量I0；
[0036]或者，
[0037](四)当研究自转角速度与章动频率f的关系时，所述方法包括如下步骤：
[0038]S4
‑
1、调节重力矩，使所述连接座发生进动；
[0039]S4
‑
2、对所述横杆施加瞬时力矩，所述横杆发生章动；
[0040]S4
‑
3、调节所述第一驱动机构驱动所述自转轮改变自转角速度
[0041]S4
‑
4、测量所述横杆(4)的章动频率f和自转轮(5)的自转角速度获得章动频率f随自转角速度的变化关系；
[0042]或者，
[0043](五)当研究非规则分布陀螺仪的整体转动惯量I时，所述方法包括如下步骤：
[0044]S5
‑
1、将所述步骤S4
‑
4测得的数据进行线性拟合，根据线性拟合的斜率获得整体转动惯量I；
[0045]或者，
[0046](六)当研究陀螺的阻尼系数β时，所述方法包括如下步骤：
[0047]S6
‑
1、调节重力矩，使所述连接座发生进动；
[0048]S6
‑
2、对所述横杆施加瞬时力矩，所述横杆发生章动；
[0049]S6
‑
3、记录一段时长的进动及章动数据，进行拟合，得到陀螺的阻尼系数β；
[0050]或，
[0051](七)当演示陀螺的定轴现象时，所述方法包括如下步骤：
[0052]S7
‑
1、调节重力矩，使陀螺处于平衡状态；
[0053]S7
‑
2、调节所述第一驱动机构，使所述自转轮高速自转；
[0054]S7
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，包括：支撑杆(2)，其竖向设置；连接座(3)，经进动轴承(31)安装于所述支撑杆(2)的上端，所述连接座(3)可绕所述支撑杆(2)水平转动；横杆(4)，其中部经俯仰轴承(41)安装于所述连接座(3)上，所述横杆(4)可在竖直方向上下摆动；自转轮(5)，可转动地安装于所述横杆(4)的一端；砝码(6)，滑动且可拆卸地安装在所述横杆(4)上，所述砝码(6)的滑动范围被限定在所述横杆(4)的另一端与所述俯仰轴承(41)之间的区域；第一驱动机构(51)和第二驱动机构(61)，所述第一驱动机构(51)与所述自转轮(5)连接，用以驱动所述自转轮(5)转动；所述第二驱动机构(61)安装于所述横杆(4)上，且与所述砝码(6)相连接，用以驱动所述砝码(6)沿所述横杆(4)的长度方向往复移动。2.根据权利要求1所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，还包括电池，所述电池与所述第一驱动机构、第二驱动机构电性连接。3.根据权利要求1或2所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，还包括：第一传感器，安装于所述横杆(4)上，用于测量所述自转轮(5)的转速或角速度；第二传感器，安装于所述连接座(3)或横杆(4)上，用于测量所述连接座(3)的转速或角速度；第三传感器，安装于所述横杆(4)上，用于测量所述横杆(4)的俯仰角度、俯仰频率或俯仰角速度。4.根据权利要求3所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，还包括控制终端和与所述控制终端无线通讯连接的无线通讯控制模块，所述无线通讯控制模块安装于所述横杆(4)内，与所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第一驱动机构(51)和第二驱动机构(61)电性连接。5.根据权利要求1所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，所述第二驱动机构(61)为丝杠电机，所述丝杠电机与设置在所述横杆(4)上的丝杆(611)传动连接，所述丝杆(611)与滑块(612)转动连接，其中，所述砝码(6)安装于所述滑块(612)上。6.根据权利要求5所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，所述砝码(6)包括若干不同质量的多块，任一所述砝码(6)均能可拆卸的安装于所述滑块(612)上。7.根据权利要求1所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置，其特征在于，所述连接座(3)呈类U型结构，其底部经所述进动轴承(31)与所述支撑杆(2)的上端同轴转动连接；还包括俯仰轴(42)，所述俯仰轴(42)水平设置，两端分别经所述俯仰轴承(41)转动安装于所述连接座(3)的上部；所述横杆(4)穿设与所述连接座(3)的类U型槽口内，经连接杆(43)与所述俯仰轴(42)相连接。8.如权利要求1至7任一项所述的定量研究刚体转动陀螺仪的实验装置的使用方法，其特征在于：当研究自转角速度与进动角速度的关系时，所述方法包括如下步骤：S1
‑
1、调节所述第二驱动机构(61)，使所述砝码(6)偏离平衡位置；
S1
‑
2、调节所述第一驱动机构(51)，使所述自转轮(5)的转速改变；S1
‑
3、测量所述连接座(3)的进动角速度和所述自转轮(5)的自转角速度获得进动角速度随自...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪涛，唐可，刘龙豪，
申请(专利权)人：四川世纪中科光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：